JP2005277005A - 半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 炉内温度を監視・制御する温度センサの付近に空気が通過しても、正確に炉内温度を検知できる温度センサを内蔵した半導体製造装置を提供する。
【解決手段】 ウェハ９をボート３に搭載して反応管２内の反応室１４に収納し、ヒータ１によって反応管２を加熱する。さらに、ガス導入管１５からガスを供給してウェハ９の熱処理を行う。このとき、ロッド１１が反応管２から輻射される反応管赤外線を検出して、光ファイバ１２を介して輻射温度計１３へ送信する。これによって、輻射温度計１３は反応管２の温度、つまり反応室１４内の温度を非接触で検出し、図示しないコントローラによって反応室１４内の温度制御を行う。このとき、輻射温度計１３は、ヒータ１からのヒータ赤外線の輻射を受けないように保護カバー（図示せず）を備えているので、正確に反応管２の温度を検出して反応室１４内の温度制御を高精度に行うことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体基板に熱処理を施しながら半導体デバイスの製造を行う半導体製造装置に関し、特に、シリコンウェハを１２００℃以上の高温で熱処理して、半導体デバイスや高品質なシリコンウェハを製造する縦型半導体製造装置に関するものである。

図５は、従来の縦型半導体製造装置に適用される縦型高温熱処理炉の概略的な構造図である。１２００℃以上の高温環境下の縦型高温熱処理炉では石英を使用することができないので、反応炉の材料としては、主として高純度かつ高耐熱な炭化珪素が使用されている。従って、処理対象となるシリコンウェハ（以下、単にウェハという）９は炭化珪素製のボート３に搭載される。また、ボート３は炉口部の低温化を目的とした断熱キャップ４上に設置される。反応室１４内は炭化珪素製の反応管２と、石英製のマニホールド６と、石英製のキャップ５とによって密封されている。また、マニホールド６とキャップ５の間は、気密性を保つためにＯリング８によってシールされている。密封された反応室１４内にはノズル７を通して処理に必要なガスが導入され、マニホールド６に設置された排気口からガスが排出される。反応管２の外側にはヒータ１があり、このヒータ１によって反応炉全体を加熱してウェハ９を所望の温度に調整している。反応室１４内の温度は温度センサ１０が監視して制御している。

ウェハ９は密封された反応室内で任意のガス環境下に置かれ、かつヒータ１によって任意の温度に加熱されることにより、必要なプロセス処理が施される。このとき、ウェハ９の温度設定は非常に重要である。そこで、炭化珪素製の反応管２とヒータ１の間に温度センサ１０が設置されている。温度センサ１０には熱電対温度センサが用いられ、制御用、監視用、過温保護用などに分けて数種類が使用されている。図６は、図５に示す縦型高温熱処理炉において熱電対を用いた温度センサの外観図である。温度センサ１０は、図６に示すように、アルミナ等のセラミック製絶縁管２２に白金系熱電対２１を通し、さらにアルミナ等のセラミック製保護管２３で封止された形状となっている。

また、反応室の内部に輻射温度計を挿入して炉内温度を直接測定して制御回路にフィードバックすることによって、ヒータの温度をコントロールする熱処理装置も知られている。このようにして炉内雰囲気の温度を直接計測することにより、反応室内の温度を高精度に制御することができるので、ウェハの熱処理を最適に行うことができる。（例えば、特許文献１参照）
特開２００２−１１０５５６号公報

しかしながら、図５に示す従来の縦型高温熱処理炉においては、温度センサ１０はヒータ１と反応管２の空間の温度を測定しているので、この空間に気流が発生した場合は温度センサ１０の検出温度に影響を与える。特に、反応室内の温度を強制的に低下させるためにこの空間に強制的に空気を流した場合は、反応室１４内の実際の温度に比べて温度センサ１０の検出温度は急速に低下する。このため、反応室内の温度を正確に監視したり制御したりすることができなくなり、結果的に高精度な温度制御ができなくなってしまう。そのため、ウェハの製品歩留りが低下してしまうおそれがある。

また、温度センサ１０として白金系熱電対２１を高温環境下で使用した場合には、起電力が低下したり断線したりするなどの問題が発生する。特に、制御用温度センサの起電力が低下すると、反応室１４内の制御温度の精度が低下してウェハ９に対して最適な熱処理が施されなくなる。これによって、半導体製造装置で製造される半導体製品の歩留まりが低下し、結果的には、半導体製造装置そのものの信頼性を低下させる要因となる。

さらに、上記の特許文献１に開示されているような輻射温度計によって炉内温度を直接測定する場合は、輻射温度計を反応室内に挿入しなければならないので、その挿入口付近の気密性を保つためにシール構造が複雑になる。そのため、熱処理装置全体の構造が複雑になって装置コストがアップしてしまうこともある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、ウェハなどの半導体基板に高温熱処理を施す半導体製造装置において、炉内温度を監視・制御する温度センサの近傍に空気が流れても、正確に炉内温度を検知できるような温度センサを内蔵した熱処理炉を備える半導体製造装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明に係る半導体製造装置は、加熱手段によって炭化珪素製の反応管を加熱しながら、その反応管に覆われた反応室内に搭載された半導体基板に熱処理を施す半導体製造装置であって、加熱手段から輻射されるヒータ赤外線を遮蔽しながら反応管から輻射される反応管赤外線を検出して反応室内の温度を計測する輻射温度計を備えることを特徴とする。

本発明に係る半導体製造装置の具体的な構成は次のようになっている。すなわち、本発明の半導体製造装置は、熱処理炉が、半導体基板を搭載した反応室を覆う炭化珪素製の反応管と、反応管を過熱するヒータなどの加熱手段と、反応室にプロセスガスを導入するガス導入手段と、反応室のガスを排出する排出手段と、複数枚の半導体基板を垂直方向に平行に保持するボートと、ボートを反応炉に挿入したり引き出したりするボード昇降手段と、昇降により反応室内を密封するキャップと、反応室内の温度を監視・制御する輻射温度計とを備え、輻射温度計が反応管の温度を赤外線輻射によって検出することによって反応室内の温度を制御するように構成されている。なお、輻射温度計は、ヒータなどの加熱手段からの反射光や迷光などが侵入してくるのを防ぐための保護カバーを備えているので、輻射温度計は反応管から輻射される赤外線のみを検出することができる。これによって高精度に反応室内の温度を測定することができるので、信頼性の高い半導体製造装置を構築することができる。

以上に詳述したように、本発明の半導体製造装置は、炉内温度を監視・制御する温度センサを従来の熱電対型温度センサから赤外線輻射を利用した輻射温度計に変更している。これにより、温度センサの付近に空気が流れても正確に炉内温度を検出することができるので、高精度な温度制御を行うことができる熱処理炉を実現することが可能となる。特に、縦型高温熱処理炉を用いた高温熱処理においては、従来の熱電対温度センサで発生するような起電力低下や断線などのトラブルもなくなり、かつ温度センサ付近の気流の影響も受けにくくなるので、より高精度な温度測定や温度制御を行うことができる。これによって信頼性の高い半導体製造装置を構築することができる。

以下、図面を参照して、本発明における半導体製造装置の実施の形態について説明する。図１は、本発明の縦型半導体製造装置に適用される縦型高温熱処理炉の概略的な構造図である。図１に示す本発明の縦型高温熱処理炉が図５に示す従来の縦型高温熱処理炉と異なるところは、反応室１４の温度を監視・制御するための温度センサを、従来の熱電対による温度センサ１０から赤外線の輻射を利用した輻射温度計１３に変更したところのみである。従って、従来と同一の構成要素は同一の符号が付してあり、その構成要素についての重複説明は省略する。

つまり、図５に示す従来の縦型高温熱処理炉では、熱電対の温度センサ１０を設置してヒータ１と反応管２の空間の温度を測定していた。一方、図１に示す本発明の縦型高温熱処理炉では、鉱石サファイアなどの高耐熱で透明なロッド１１をヒータ１の奥まで挿入して、炭化珪素製の反応管２の表面温度を赤外線の輻射で検出し、光ファイバ１２を通して輻射温度計１３によって反応管２の表面温度を測定している。なお、本発明による縦型高温熱処理炉では、処理温度の高温化に伴い、石英による反応管では輻射温度計１３による温度測定が困難であるので、反応管２の材料として炭化珪素を用いている。

図１に示す本発明の縦型高温熱処理炉で用いられている輻射温度計１３は、従来から使用されている熱電対の温度センサ１０のように、高温環境化での起電力の低下や断線などの問題が発生するおそれはない。また、輻射温度計１３は、反応管２の表面温度を赤外線の輻射によって測定することにより、従来の縦型高温熱処理炉に比べてウェハ９に近い部分の温度を正確に測定することができるので、より高精度に炉内温度を監視・制御することが可能となる。さらに、輻射温度計１３は、熱容量の大きい反応管２の輻射温度を非接触で測定することができるので、反応管２とヒータ１の間に流れる気流の影響を受けにくくなり、安定した温度測定及び温度制御を行うことができる。

しかし、図１に示す縦型高温熱処理炉において輻射温度計１３を用いた場合でも、ロッド１１は、反応管２からの反応管赤外線の輻射を受ける以外にヒータ１からのヒータ赤外線の輻射を受けるために、反応管２の表面温度を正確に検出できないこともある。そこで、ヒータ１からのヒータ赤外線の輻射の影響を排除してロッド１１が正確な温度検出を行うために次のような対策を施す。

図２は、図１に示す縦型高温熱処理炉において、輻射温度計１３がヒータからのヒータ赤外線の輻射の影響を受ける状態を示す概念図である。つまり、図２は、図１に示す縦型高温熱処理炉においてロッド１１の近傍を拡大した図である。図２に示すように、ヒータ１が発した輻射光（つまり、ヒータ赤外線）は直接ロッド１１に侵入したり、ヒータ１が発した輻射光（ヒータ赤外線）が反応管２に反射してロッド１１に侵入したりするおそれがある。本来、ロッド１１は反応管２からの正規の赤外線（つまり、反応管赤外線）を検出して温度測定を行うものであるが、図２に示すようにヒータ１からのヒータ赤外線の輻射を検出してしまうので、正確に炉内温度の測定を行うことができない。

図３は、図１に示す縦型高温熱処理炉において、輻射温度計１３がヒータからのヒータ赤外線の輻射の影響を受けないようにした状態を示す概念図である。図３に示すように、例えばアルミナのような不透明で高耐熱な保護カバー１８を用いてロッド１１の側面を覆い、かつ、保護カバー１８の先端のつばを広くすることによってヒータ１からのヒータ赤外線の輻射の侵入を防ぐことができる。例えば、ヒータ１からのヒータ赤外線の輻射は、保護カバー１８の側部で反射したり、保護カバー１８の先端のつばの部分で反射したりするので、ヒータ赤外線の輻射がロッド１１に侵入するおそれはない。一方、反応管からの正規の赤外線（反応管赤外線）の輻射はロッド１１によって確実に検出される。これによって、図示しない輻射温度計はヒータ１からのヒータ赤外線の輻射の影響を受けることなく正確に反応管２の温度を検出することができる。

図３に示すようにヒータからのヒータ赤外線の影響を排除したときに、図１に示す縦型高温熱処理炉が行う動作を図１を用いて説明する。ウェハ９をボート３に搭載して反応管２内の反応室１４に収納し、ヒータ１によって反応管２を加熱する。さらに、ガス導入管１５からガスを供給してウェハ９の熱処理を行う。このとき、ロッド１１が反応管２から輻射される反応管赤外線を検出して、光ファイバ１２を介して輻射温度計１３へ送信する。これによって、輻射温度計１３は反応管２の温度、つまり反応室１４内の温度を非接触で検出し、図示しないコントローラによって反応室１４内の温度制御を行う。このとき、輻射温度計１３は、ヒータ１からのヒータ赤外線の輻射を受けないように保護カバー（図示せず）を備えているので、正確に反応管２の温度を検出して反応室１４内の温度制御を高精度に行うことができる。

本発明では、このようにして、炭化珪素製の反応管２の温度を輻射温度計１３で測定する高温熱処理用の縦型半導体製造装置を実現することができる。このとき、図１に示す縦型高温熱処理炉では、複数のロッド１１を用いて、温度制御用、温度監視用、過温度保護用など、数種類の温度を検出して輻射温度計１３に取り込むことができる。また、複数のロッド１１を用いた輻射温度計と熱電対の温度センサとを併用してもよいし、全てを輻射温度計としてもよい。

従って、図１に示すような本発明の縦型高温熱処理炉は、次のような最適な構成要素によって実現することができる。つまり、本発明の半導体製造装置に用いられる縦型高温熱処理炉は、少なくとも、ウェハ９などの基板を炭化珪素材の反応管２の内部で処理する処理室（反応室１４）と、反応管２を囲うように設けられる発熱体によって反応室１４を加熱する加熱手段（ヒータ１）と、反応管２とヒータ１との間に温度検出部となるロッド１１が配置され、反応管２の温度を反応管赤外線の輻射で検出する輻射温度計１３と、ロッド１１の先端側をつば状の開口形状とし、かつ、ヒータ赤外線の輻射を遮断するようにロッド１１の周囲を囲う形状をした保護カバー１８とを備えた構成となっている。

しかし、本発明の半導体製造装置は、次のような構成要素による幾つかのバリエーションとして組立てることもできる。一つ目のバリエーションは、基板を処理する処理室（反応室１４）と、この処理室（反応室１４）を囲うように設けられる発熱体により加熱する加熱手段（ヒータ１）と、処理室（反応室１４）の外側に設けられ温度を検出する温度検出手段（輻射温度計１３）と、温度検出手段（輻射温度計１３）の検出部（ロッド１１）の先端側を最も大きい形状として検出部（ロッド１１）の周りを囲うカバー（保護カバー１８）とを備える構成とした熱処理炉を有する半導体製造装置である。

二つ目のバリエーションは、基板を反応管２内で処理する処理室（反応室１４）と、反応管２を囲うように設けられる発熱体により加熱する加熱手段（ヒータ１）と、反応管２と加熱手段（ヒータ１）との間に検出部（ロッド１１）が配置され、反応管２の温度を検出する輻射温度計１３と、輻射温度計１３の検出部（ロッド１１）の先端側がつば形状となっていて検出部（ロッド１１）の周りを囲うカバー（保護カバー１８）とを備える構成とした熱処理炉を有する半導体製造装置である。

三つ目のバリエーションは、基板を炭化珪素材の反応管２内で処理する処理室（反応室１４）と、反応管２を囲うように設けられる発熱体により加熱する加熱手段（ヒータ１）と、反応管２と加熱手段（ヒータ１）との間に検出部（ロッド１１）が配置され、反応管２からの反応管赤外線を検出する輻射温度計１３と、検出部（ロッド１１）の検出端側を最も大きい形状とし、反応管２から輻射される反応管赤外線以外の赤外線を遮断するために検出部（ロッド１１）の周りを囲うように構成されたカバー（保護カバー１８）とを備える構成とした熱処理炉を有する半導体製造装置である。

また、本発明では、輻射温度計１３を用いて温度制御を行うことによって基板に熱処理を施す半導体製造方法を実現することもできる。すなわち、基板を処理する処理室（反応室１４）と、処理室（反応室１４）を囲うように設けられる発熱体により加熱する加熱手段（ヒータ１）と、処理室（反応室１４）内に処理ガスを供給するガス供給手段（ガス導入管１５）と、処理室（反応室１４）内を排気する排気手段（排気管１６）と、処理室（反応室１４）の外側に設けられた検出部（（ロッド１１）によって温度を検出する温度検出手段（輻射温度計１３）と、検出部（（ロッド１１）の検出端側を最も大きい形状としてその検出部（ロッド１１）の周りを囲うカバー（保護カバー１８）とを備えた熱処理炉を用いた半導体製造方法であって、基板を処理室（反応室１４）内に収納する工程と、処理室（反応室１４）内を加熱手段（ヒータ１）によって加熱する工程と、処理室（反応室１４）の外側に設けられた温度検出手段（ロッド１１と輻射温度計１３）が処理室（反応室１４）の温度を反応管赤外線によって検出する工程と、処理室（反応室１４）内へガス供給手段（ガス導入管１５）によって処理ガスを供給する工程と、処理室（反応室１４）内を排気手段（排気管１６）により排気する工程とによって基板の熱処理を行うとき、輻射温度計１３の検出部であるロッド１１が、反応管２からの反応管赤外線以外の赤外線の輻射を保護カバー１８によって遮断することによって、高精度に処理室（反応室１４）内の温度を検出して基板に熱処理を施す半導体製造方法である。

次に、例えば３００〜１２００℃未満での熱処理として使用される具体的な拡散処理炉の構成について説明する。図４は、本発明に適用される縦型酸化拡散処理炉の構成図である。なお、この縦型酸化拡散処理炉は均熱管のある拡散処理炉である。図４において、均熱管２０６は、例えばＳＩＣ等の耐熱性材料からなり、上端が閉塞され、かつ下端に開口を有する円筒状の形態である。例えば石英（ＳｉＯ２）等の耐熱性材料からなる反応容器（以下、反応管２０３）は、下端に開口を有する円筒状の形態を有し、均熱管２０６内に同心円状に配置されている。反応管２０３の下部には例えば石英からなるガス供給管２３２と排気管２３１が連結されていて、ガス供給管２３２と連結する導入口２３４は反応管２０３下部から反応管２０３の側部に添って例えば細管状に立ち上がり、天井部で反応管２０３内部に至る。

排気管２３１は反応管２０３の排気口２３５に接続される。ガスはガス供給管２３２から反応管２０３の天井部を介して内部に流れ、反応管２０３の下部に接続された排気管２３１から排気されるようになっている。また、反応管２０３の導入口２３４には、ガス供給管２３２によって処理用のガスが反応管２０３内に供給されるようになっている。このガス供給管２３２は、ガス流量制御部３０２が制御するマスフローコントローラ（ＭＦＣ）２４１、または水分発生器（図示せず）に連結されている。ＭＦＣ２４１はガス流量制御部３０２に接続されていて供給するガスまたは水蒸気（Ｈ２Ｏ）の流量を所定の量に制御する。

反応管２０３の排気口２３５には、圧力調節器（例えばＡＰＣ２４２）に連結されたガスの排気管２３１が接続されており、反応管２０３内を流れるガスを排出し、反応管２０３内をＡＰＣ２４２により圧力を制御することにより、所定の圧力にするよう圧力検出手段（以下圧力センサ２４５）により検出し、圧力制御部３０３によって制御を行う。

反応管２０３の下端開口部には、例えば石英からなる円盤状の保持体（以下ベース２５７）が、Ｏリング２２０を介して気密シール可能に着脱自在にあり、ベース２５７は円盤状の蓋体（以下シールキャップ２１９）の上に取付けられている。また、シールキャップ２１９には、回転手段（以下回転軸２５４）が連結されており、回転軸２５４により、保持体（以下石英キャップ２１８）及び基板保持手段（以下ボート２１７）、ボート２１７上に保持されている基板（以下ウェハ２００）を回転させる。また、シールキャップ２１９は昇降手段（以下ボートエレベータ１１５）に連結されていて、ボート２１７を昇降させる。回転軸２５４、及びボートエレベータ１１５を所定のスピードにするように、駆動制御部３０４により制御を行う。

均熱管２０６の外周には加熱手段（以下ヒータ２０７）が同心円状に配置されている。ヒータ２０７は、反応管２０３内の温度を所定の処理温度にするよう温度検出手段（輻射温度計２６３）により温度を検出し、温度制御部３０１によって制御を行う。温度検出手段２６３として、図１〜図３にて説明した輻射温度計と保護カバーを用いる。これにより、均熱管からの赤外線のみを検出することが可能になる。尚、ロッドの材質は、高耐熱で透明な材質であれば良いが、好ましくは鉱石サファイアを用いると良いが１０５０℃以下で使用する場合は、石英ガラスでも良い。また、保護カバーの材質は、高耐熱で不透明な材質であれば良いが、好ましくはアルミナ材を用いると良いが、１０５０℃以下で使用する場合は、不透明石英ガラスを用いても良い。

次に、図４に示す縦型酸化拡散処理炉による酸化、拡散処理の方法の一例を説明する。まず、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を下降させる。そして、ボート２１７に複数枚のウェハ２００を保持する。続いて、ヒータ２０７によって加熱しながら反応管２０３内の温度を所定の処理温度にする。ガスの供給管２３２に接続されたＭＦＣ２４１により予め反応管２０３内を不活性ガスで充填しておき、ボートエレベータ１１５によってボート２１７を上昇させて反応管２０３内に移し、反応管２０３の内部温度を所定の処理温度に維持する。例えばあらかじめ反応管２０３の内部温度と輻射温度計２６３の検出する相関関係を求めておき、偏差を補正するようにして制御しても良い。

反応管２０３内を所定の圧力に保った後、回転軸２５４によってボート２１７及びボート２１７上に保持されているウェハ２００を回転させる。同時に、ガスの供給管２３２から処理用のガスを供給するか、または水分発生器から水蒸気を供給する。供給されたガスは反応管２０３を下降してウェハ２００に対して均等に供給される。酸化・拡散処理中の反応管２０３内は排気管２３１を介して排気され、所定の圧力になるようにＡＰＣ２４２により圧力が制御され、所定時間に亘って酸化・拡散処理を行う。

このようにして酸化・拡散処理が終了すると、次のウェハ２００の酸化・拡散処理に移るために、反応管２０３内のガスを不活性ガスに置換すると共に圧力を常圧にする。その後、ボートエレベータ１１５によりボート２１７を下降させて、ボート２１７及び処理済のウェハ２００を反応管２０３から取出す。反応管２０３から取出されたボート２１７上の処理済のウェハ２００は、未処理のウェハ２００と交換され、再び前述と同様にして反応管２０３内に上昇され、酸化・拡散処理が行われる。

本発明の縦型半導体製造装置に適用される縦型高温熱処理炉の概略的な構造図である。 図１に示す縦型高温熱処理炉において、輻射温度計１３がヒータからの赤外線輻射の影響を受ける状態を示す概念図である。 図１に示す縦型高温熱処理炉において、輻射温度計１３がヒータからの赤外線輻射の影響を受けないようにした状態を示す概念図である。 本発明に適用される縦型酸化拡散処理炉の構成図である。 従来の縦型半導体製造装置に適用される縦型高温熱処理炉の概略的な構造図である。 図５に示す縦型高温熱処理炉において熱電対を用いた温度センサの外観図である。

符号の説明

１ ヒータ
２ 反応管
３ ボート
４ 断熱キャップ
５ キャップ
６ マニホールド
７ ノズル
８ Ｏリング
９ ウェハ
１０ 温度センサ
１１ ロッド
１２ 光ファイバ
１３ 輻射温度計
１４ 反応室
１５ ガス導入管
１６ 排気管
１７ カバー
１８ 保護カバー
２１ 白金系熱電対
２２ セラミック製絶縁管
２３ セラミック製保護管

Claims (1)

1. 加熱手段によって炭化珪素製の反応管を加熱しながら、該反応管に覆われた反応室内に搭載された半導体基板に熱処理を施す半導体製造装置であって、
   前記加熱手段から輻射されるヒータ赤外線を遮蔽しながら前記反応管から輻射される反応管赤外線を検出して前記反応室内の温度を計測する輻射温度計を備えることを特徴とする半導体製造装置。

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